การจัดการความน่าเชื่อถือด้านความร้อนในแผงวงจรพิมพ์ของเครื่องมือวินิจฉัย

หนึ่งในพารามิเตอร์ด้านความเชื่อถือได้ที่สำคัญที่สุดซึ่งส่งผลต่อการทำงานของเครื่องมือวินิจฉัยสมัยใหม่ทั้งหมดคือความเชื่อถือได้ด้านความร้อน ในการประยุกต์ใช้ด้านอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ ไม่ว่าจะเป็นในสาขาการวินิจฉัยระดับโมเลกุล แพลตฟอร์มระบบอัตโนมัติในห้องปฏิบัติการ ระบบถ่ายภาพทางการแพทย์ หรืออุปกรณ์ตรวจวินิจฉัย ณ จุดดูแลรักษา วงจรอิเล็กทรอนิกส์ต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง พร้อมความแม่นยำในการวัดที่คงที่ตลอดอายุการใช้งานหลายปี

ถึงแม้ว่าการจัดการความร้อนมักถูกมองว่าเป็นฮีตซิงก์ การไหลเวียนของอากาศ และการเลือกใช้ชิ้นส่วน แต่ปัญหาความเชื่อถือได้หลายอย่างอาจเริ่มต้นขึ้นที่ระดับการประกอบ PCBประสิทธิภาพของระบบอาจลดลงตามกาลเวลาเนื่องจากความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากกระบวนการผลิต ข้อบกพร่องที่เกิดจากความชื้น หรือการเสื่อมสภาพของข้อต่อบัดกรีหลังจากที่ผลิตภัณฑ์ผ่านการทดสอบการทำงานไปเป็นเวลานาน

อย่างไรก็ตาม สำหรับสตาร์ทอัพด้านอุปกรณ์การแพทย์และทีมวิจัยและพัฒนา ความน่าเชื่อถือด้านความร้อนเป็นความท้าทายทั้งในด้านการออกแบบและการผลิต ความสามารถในการควบคุมความเค้นจากความร้อนระหว่างการประกอบ ตรวจสอบความแม่นยำของรอยบัดกรี และรับรองความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับของกระบวนการทั้งหมด อาจเป็นปัจจัยชี้ขาดว่าผลิตภัณฑ์จะสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมทางคลินิกหรือไม่

ที่ PCBCart เราช่วยให้นวัตกรรมด้านการแพทย์รับมือกับความท้าทายเหล่านี้ผ่านการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์แบบ High-Mix Low-Volume (HMLV) โดยผสานกระบวนการประกอบขั้นสูง มาตรฐานฝีมือระดับ IPC Class 3 และการติดตามย้อนกลับด้วยระบบ Smart MES เพื่อมอบการควบคุมคุณภาพระดับ Tier-1 โดยปราศจากข้อจำกัดของข้อกำหนดการผลิตปริมาณสูง

เหตุใดความเชื่อถือได้ด้านความร้อนจึงมีความสำคัญในแผงวงจร PCBA ของเครื่องมือวินิจฉัย

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเป็นรอบเป็นปรากฏการณ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่องของเครื่องมือวินิจฉัยตลอดอายุการใช้งาน ความร้อนที่เกิดจากโปรเซสเซอร์แบบฝังตัว วงจรจัดการพลังงาน โมดูลถ่ายภาพ และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ปรับสภาพสัญญาณจากเซนเซอร์ ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ ซึ่งทำให้องค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ข้อต่อบัดกรี และวัสดุแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ขยายและหดตัวซ้ำแล้วซ้ำเล่า

กลไกความล้มเหลวหลักสองประการ

เมื่อมองจากมุมมองของผู้ผลิต ปัญหาความน่าเชื่อถือด้านความร้อนโดยทั่วไปมักเกิดขึ้นในสองลักษณะหลัก ได้แก่ ความล้าของข้อต่อบัดกรี และการแยกชั้นของแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCB)

ระหว่างรอบการให้ความร้อนและการทำให้เย็นซ้ำ ๆ ที่ข้อต่อบัดกรีต้องเผชิญ ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของชิ้นส่วน โลหะผสมประสาน และแผ่น PCB จะก่อให้เกิดความเค้นเชิงกลในข้อต่อบัดกรีและนำไปสู่อาการล้าของข้อต่อบัดกรี เมื่อเวลาผ่านไป ความเค้นเหล่านี้อาจทำให้เกิดรอยร้าวขนาดเล็ก ความเสียหายของโครงสร้างบัดกรี และก่อให้เกิดความล้มเหลวทางไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องหรือถาวร ตัวอย่างเช่น การประกอบที่มี BGA แพ็กเกจเซรามิกขนาดใหญ่ หรือการออกแบบหลายชั้นมีความหนาแน่นสูงจึงมีความเปราะบางเป็นพิเศษ

ในขณะเดียวกัน ความชื้นที่ถูกดูดซึมโดยลามิเนตของแผ่น PCB อาจเป็นความเสี่ยงด้านความเชื่อถือได้ที่ซ่อนอยู่ได้ ระหว่างการบัดกรี น้ำที่ถูกกักเก็บไว้จะกลายเป็นไออย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับความร้อนจากหัวแร้ง การขยายตัวนี้อาจทำให้โครงสร้างภายในของแผ่นวงจรเสียหาย ส่งผลให้เกิดการแยกชั้น การแตกร้าวของบาร์เรล และการลดลงของความแข็งแรงเชิงกล ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจเกิดขึ้นภายใน และอาจตรวจพบได้ก็ต่อเมื่อมีการใช้งานในภาคสนามเป็นเวลานานเท่านั้น

ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ไม่เพียงแต่ต้องเผชิญกับความท้าทายในการค้นหากลไกความล้มเหลวเหล่านี้เท่านั้น แต่ยังต้องสามารถกำจัดปัญหาเหล่านี้ออกจากผลิตภัณฑ์ได้ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถูกส่งมอบไปใช้งานอีกด้วย

การควบคุมความเค้นจากความร้อนระหว่างการประกอบ

ระดับของความเค้นจากความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการประกอบเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเชื่อถือได้ของชิ้นงานการประกอบ การควบคุมความชื้นอย่างเข้มงวด การลดการบิดตัวของแผ่นวงจร และการกำหนดโปรไฟล์อุณหภูมิที่แม่นยำระหว่างการบัดกรี เป็นสิ่งจำเป็นต่อการจัดการความร้อนที่ดีในระหว่างกระบวนการผลิต

แนวทางสามชั้นในการลดความเครียดจากความร้อน

แนวป้องกันแรกคือการควบคุมความชื้น แผ่นวงจรที่ไวต่อความชื้นของ PCBCart จะถูกอบล่วงหน้าเป็นเวลา 4-8 ชั่วโมงภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ก่อนการประกอบ ความชื้นที่ถูกดูดซึมโดยแผ่นวงจรก่อนการบัดกรีจะถูกกำจัดออกไป จึงช่วยลดความเสี่ยงของการลอกชั้นที่เกิดจากไอน้ำได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแผ่นวงจรหลายชั้นในงานออกแบบที่ซับซ้อน เช่น ในเครื่องมือวินิจฉัย

ชั้นที่สองมุ่งเน้นไปที่ความเสถียรทางกลระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ การสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นอาจทำให้แผ่น PCB แบบหลายชั้นขนาดใหญ่เกิดการโก่งตัว ซึ่งนำไปสู่ปัญหาความไม่ระนาบและการเกิดจุดบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอ จึงมีการใช้ฟิกซ์เจอร์หินสังเคราะห์เพื่อรองรับแผ่นบอร์ดและคงสภาพมิติให้คงที่ระหว่างกระบวนการรีโฟลว์จริง เพื่อลดความเสี่ยงเหล่านี้

ขั้นตอนสุดท้ายคือการทำโปรไฟล์อุณหภูมิอย่างแม่นยำ อุณหภูมิสูงสุด ความแตกต่างของอุณหภูมิ และอัตราการระบายความร้อนที่สูงเกินไปหรือต่ำเกินไปอาจนำไปสู่ความเค้นตกค้างสูงในข้อต่อประสานและทำให้กลไกความล้าระยะยาวเกิดขึ้นได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ด้วยเตาอบรีโฟลว์รุ่น JTR-1200D-N จะมีการสร้างโปรไฟล์อุณหภูมิเฉพาะสำหรับผลิตภัณฑ์เพื่อควบคุมอัตราการไต่ระดับอุณหภูมิ โซนแช่ อุณหภูมิสูงสุด และการระบายความร้อนได้อย่างรอบคอบ เป้าหมายคือการสร้างข้อต่อประสานที่ทั้งเป็นไปตามข้อกำหนดและลดความเค้นตกค้างให้น้อยที่สุด ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์ในระยะยาว

การควบคุมกระบวนการทั้งสามนี้ก่อให้เกิดฐานการผลิต ซึ่งสามารถใช้เพื่อลดความเสี่ยงของความล้มเหลวที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถูกนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมทางคลินิก

การลดการสัมผัสความร้อนรองระหว่างการบัดกรี

ชุดอุปกรณ์เครื่องมือวินิจฉัยจำนวนมากใช้การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยี SMT และเทคโนโลยีรูทะลุ วิธีการแบบไฮบริดนี้มีความยืดหยุ่นสูงในด้านการออกแบบ แต่ก็อาจทำให้เกิดความเค้นจากความร้อนเกินควรได้หากกระบวนการบัดกรีไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม

เหตุใดการบัดกรีแบบเลือกจุดด้วยคลื่นจึงมีความสำคัญ

หลังจากที่ส่วนประกอบ SMT ผ่านกระบวนการรีโฟลว์แล้ว การให้ความร้อนเพิ่มเติมใด ๆ อาจทำให้แอสเซมบลีได้รับความเครียดจากความร้อนรอง การสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงและซ้ำ ๆ สามารถทำให้รอยบัดกรีเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร ก่อให้เกิดความเครียดต่อชิ้นส่วน และส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว

เพื่อช่วยลดความเสี่ยงนี้ PCBCart จึงใช้เทคโนโลยีการบัดกรีแบบคลื่นเฉพาะจุด ZSWHPS-11-2 เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการบัดกรีแบบคลื่นทั่วไปซึ่งให้ความร้อนกับพื้นที่กว้างของแผงประกอบแล้ว การบัดกรีแบบเฉพาะจุดมีความแม่นยำสูงและให้ความร้อนเฉพาะบริเวณรูทะลุที่ต้องการเท่านั้น

กระบวนการแบบเฉพาะจุดนี้ช่วยลดผลกระทบจากความร้อนต่อชิ้นส่วน SMD ที่อยู่ใกล้เคียง และให้คุณภาพการบัดกรีแบบรูทะลุที่สม่ำเสมอ การบัดกรีแบบเฉพาะจุดเป็นวิธีการประกอบเทคโนโลยีผสมที่ได้รับการปรับปรุงและเชื่อถือได้ สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่บอบบางซึ่งมีวงจรแอนะล็อกความแม่นยำสูง โมดูลประมวลผลภาพ หรือชิ้นส่วนที่ไวต่ออุณหภูมิ

การตรวจสอบความน่าเชื่อถือที่ไกลกว่ากระบวนการบัดกรี

แม้จะมีระบบควบคุมการประกอบที่ดีที่สุด การตรวจสอบอย่างเป็นรูปธรรมก็ยังคงจำเป็นอยู่ ความน่าเชื่อถือไม่ใช่สิ่งที่รับประกันไว้ล่วงหน้า แต่ต้องพิสูจน์ได้ด้วยข้อกำหนดด้านฝีมือการผลิตและวิธีการทดสอบขั้นสูง

มาตรฐานการยอมรับตาม IPC Class 3

เมื่อมีการใช้การประกอบแผงวงจรพิมพ์ตามมาตรฐาน IPC Class 3 เป็นเกณฑ์การประกอบเครื่องมือวินิจฉัยสำหรับการทำงานระยะยาว มาตรฐานดังกล่าวจะถูกใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการยอมรับด้านคุณภาพ

มีการให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับจุดบัดกรีแบบทะลุรู เนื่องจากปริมาณของวัสดุบัดกรีมีผลโดยตรงต่อความแข็งแรงทางกลและความทนทานต่อการขยายตัวจากความร้อน การประกอบจะได้รับการตรวจรับรองให้มาตรฐาน IPC ระดับ 3โดยมีเป้าหมายให้การเติมรูทะลุไม่น้อยกว่า 75% เพื่อช่วยเพิ่มความทนทานในระยะยาว ระดับการเติมบาร์เรลที่สูงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของบาร์เรล และรอยบัดกรีสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหลายรอบตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

การผสานการตรวจสอบ AOI แบบสามมิติและ AXI เพื่อการตรวจหาข้อบกพร่อง

การตรวจสอบมีความสำคัญอย่างยิ่งในการค้นหาข้อบกพร่องที่อาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือทางความร้อน

ระบบ AOI แบบสามมิติขั้นสูงสามารถวัดความสม่ำเสมอของปริมาณบัดกรี ความแม่นยำในการวางตำแหน่งชิ้นส่วน และคุณภาพของผิวหน้าประกอบได้อย่างแม่นยำกว่าวิธีการตรวจสอบแบบดั้งเดิมมาก เมื่อไม่สามารถมองเห็นจุดบัดกรีได้ การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อัตโนมัติ (AXI) จะช่วยประเมินเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเชื่อมต่อ BGA ระดับโพรงภายใน สภาวะบัดกรีไม่เพียงพอ และข้อบกพร่องแอบแฝงอื่น ๆ

3D AOI และ AXI ช่วยสร้างโซลูชันการตรวจสอบที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งสามารถระบุปัญหาการประกอบทั้งที่มองเห็นได้และที่ซ่อนอยู่ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะเริ่มใช้งาน

ยกระดับการควบคุมคุณภาพระดับ Tier-1 สู่การผลิตอุปกรณ์การแพทย์แบบปริมาณน้อยหลากหลายรุ่น (HMLV)

นี่เป็นทางเลือกที่ยากลำบากที่สตาร์ทอัปด้านอุปกรณ์การแพทย์มักต้องเผชิญ ซัพพลายเออร์ที่มีกำลังการผลิตต่ำอาจมีความยืดหยุ่นแต่ไม่มีกลไกด้านคุณภาพขั้นสูง ในขณะที่ผู้ผลิตรายใหญ่ก็มักจะมีการควบคุมกระบวนการที่ซับซ้อนเฉพาะสำหรับโครงการที่มีกำลังการผลิตสูงเท่านั้น

จัดการกับปริมาณสั่งซื้อขั้นต่ำ (MOQ) และความท้าทายด้านคุณภาพ

แนวคิดของ PCBCart ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อขจัดการประนีประนอมเช่นนี้

โมเดลการผลิต HMLV ของเราได้รับการออกแบบให้มีความยืดหยุ่น พร้อมทั้งคงไว้ซึ่งปรัชญาการควบคุมกระบวนการแบบเดียวกับที่พบได้โดยทั่วไปในสภาพแวดล้อมการผลิตขนาดใหญ่ อุปกรณ์ขั้นสูงอย่างเช่นการพิมพ์เจ็ต, 3D SPI, AOI, AXI, การรีโฟลว์บัดกรีความแม่นยำสูง และการบัดกรีแบบคลื่นเฉพาะจุด ล้วนทำงานแบบบูรณาการอยู่ภายในระบบนิเวศการผลิตที่ขับเคลื่อนด้วย Smart MES ซึ่งช่วยให้สามารถรักษาการตรวจสอบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ตั้งแต่ขั้นตอนการประกอบไปจนถึงการตรวจสอบ

พารามิเตอร์การผลิตที่สำคัญทั้งหมดจะถูกบันทึกแบบดิจิทัลและเชื่อมโยงกับกระบวนการผลิตทั้งหมด ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์หาสาเหตุรากได้อย่างรวดเร็ว ปรับปรุงกระบวนการอย่างต่อเนื่อง และเพิ่มความมั่นใจในความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์ในอนาคตสำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์การแพทย์

ผลลัพธ์คือการควบคุมคุณภาพระดับ Tier-1 โดยไม่ลดทอนความยืดหยุ่นสำหรับการสร้างต้นแบบ โปรแกรม NPI และการผลิตปริมาณต่ำ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับทีมวิจัยและพัฒนา (R&D) และบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์การแพทย์รุ่นใหม่

ความเชื่อมั่นด้านความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ในเครื่องมือวินิจฉัยนั้นไม่ใช่เพียงแค่การเลือกใช้ชิ้นส่วนและการจำลองทางความร้อนเท่านั้น ประสิทธิภาพการทำงานในระยะยาวยังขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตที่จำกัดการสัมผัสกับความชื้น ลดความเค้นจากความร้อน ปกป้องชุดประกอบที่มีความไวต่อสภาวะแวดล้อม และสามารถรับประกันความสมบูรณ์ของจุดบัดกรีตลอดกระบวนการผลิต

ผู้ผลิตอุปกรณ์การแพทย์สามารถใช้กระบวนการอบล่วงหน้าแบบควบคุมของ PCBCart นาน 4–8 ชั่วโมง การตรวจสอบ AOI แบบสามมิติ การตรวจสอบ AXI ขั้นสูงแบบสามมิติ การบัดกรีแบบคลื่นเลือกเฉพาะรุ่น ZSWHPS-11-2 การรับรองตามมาตรฐาน IPC Class 3 และการติดตามย้อนกลับด้วยระบบ Smart MES เพื่อสร้างชุดประกอบที่สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดซึ่งพบได้ในการใช้งานทางคลินิก

ติดต่อเราและให้ทีมวิศวกรรมของเราประเมินการออกแบบของคุณในด้านความเสี่ยงต่อความน่าเชื่อถือด้านความร้อน การปรับปรุงด้านความสามารถในการผลิต และประสิทธิภาพของเครื่องมือวินิจฉัยในระยะยาวก่อนเริ่มการผลิต

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บทนำอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับ PCBA
•กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์
•มาตรการควบคุมกระบวนการเพื่อหยุดยั้งข้อบกพร่องในการประกอบ SMT
•การบัดกรีแบบคลื่นเทียบกับการบัดกรีแบบเลือกเฉพาะจุดสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•มาตรฐานที่จำเป็นสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ทางการแพทย์